龐 拓

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500）

1 引言

由于鐵路發(fā)展以及征拆困難，很多時候需要在既有鐵路線附近新建鐵路。由于新舊路基距離近，如何減小施工對既有鐵路的影響就變得十分關(guān)鍵［1］。軟土地基在我國十分常見，其具有孔隙率高、含水量高以及受力后變形大的特點［2］。當(dāng)遇到這類地基時就必須對其進(jìn)行加固處理，而在加固施工過程中稍有不當(dāng)就會對既有路基產(chǎn)生較大影響，從而影響既有線路的正常通行［3］。

目前常用的軟基處理方式包含堆載預(yù)壓法、置換法、水泥攪拌樁法、預(yù)應(yīng)力管樁處理法［4］。這幾種方法各有優(yōu)勢，但是當(dāng)上部填方高度較高時（一般大于4 m），預(yù)應(yīng)力管樁處理方法具有十分明顯的優(yōu)勢［5］。預(yù)應(yīng)力管樁目前已經(jīng)實現(xiàn)工廠化預(yù)制，具有制造效率高、制造工藝精湛、樁身強(qiáng)度大、外觀尺寸精度高的特點，樁身豎向承載能力高、抗彎性能優(yōu)良。因此，在鐵路工程軟基處理中運(yùn)用十分廣泛［6］。預(yù)應(yīng)力管樁在處理軟基過程中是通過在特定位置將預(yù)制管樁通過靜壓或者捶打的方式壓入路基中，一方面通過管樁擠入將軟土擠密，從而提高其承載能力；另一方面管樁本身也能承受上部荷載［7－8］。正是由于管樁處理軟基時需要對原有土層進(jìn)行擠壓，這樣勢必會影響既有線路的路基，一旦影響過大就會威脅到既有線路的交通。而目前針對此類的研究大多還停留在施工經(jīng)驗上，對于理論研究鮮有報道［9－10］。

本文依托廣梅汕鐵路新增二線工程，針對預(yù)應(yīng)力管樁在軟基加固處理中的擠壓作用對既有線路的影響開展理論研究［11－12］，以期指導(dǎo)設(shè)計和施工。

2 工程概況

廣梅汕鐵路增二線項目位于韓江三角洲濱海平原地區(qū)，地勢開闊、地形平坦，相對高差0～2 m。該區(qū)域為韓江攜帶泥砂在其下游沉積而成，第四系沉積層厚度一般30～120 m，沉積厚度最大達(dá)168.4 m；上覆第四系人工填土1～3 m，淤泥質(zhì)黏土厚度為15～32 m。既有線路路基多為填方地段，填筑厚度2～5 m。路基典型橫斷面見圖1。淤泥質(zhì)黏土參數(shù)為：

圖1 路基典型橫斷面（單位：m）

需加固路基全長22.9 km。預(yù)應(yīng)力管樁采用PC-500（100）-A型，設(shè)計樁身直徑0.5 m，壁厚0.1 m，混凝土強(qiáng)度C60，十字鋼樁尖，單樁承載力750～1 020 kN。平行于既有路基且距離既有路基5 m和6 m處施打兩排預(yù)應(yīng)力管樁，樁間距2.5 m，預(yù)應(yīng)力管樁深度為28～44 m，共需預(yù)應(yīng)力管樁長度為32 969 m。為了防止基礎(chǔ)處理過程中對既有線路行車安全的影響，需要對路基加固區(qū)段按照《臨近營業(yè)線施工管理辦法》之A類等級進(jìn)行施工計劃管理，并將列車時速限制在60 km內(nèi)。施工期內(nèi)需要實時觀測既有線路的路基水平位移和路基沉降。

3 數(shù)值模型建立

3.1 基本假設(shè)

由于壓樁過程為高度非線性問題，而且由于壓樁數(shù)量較多，因此有必要對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，從而便于計算?；炯僭O(shè)如下：

（1）將整個結(jié)構(gòu)均看作淤泥質(zhì)黏土一種材質(zhì)。通過地質(zhì)資料可以看出，在20 m深度范圍內(nèi)大部分為淤泥質(zhì)黏土。為了簡化計算，只考慮這一種材質(zhì)。

（2）將整個結(jié)構(gòu)簡化為平面應(yīng)變問題。由于既有路基橫截面沿路線方向基本不變，同時預(yù)應(yīng)力管樁為等間距布置，因此整個結(jié)構(gòu)沿路線方向為半無限體。另一方面，由于預(yù)應(yīng)力管樁深度都超過20 m，可以近似認(rèn)為預(yù)應(yīng)力管樁壓入土層后沿不同高度的擠壓效果一致。

（3）只考慮預(yù)應(yīng)力管樁完全壓入時刻對結(jié)構(gòu)的作用。由于預(yù)應(yīng)力管樁施工是一個逐漸壓入的過程，對結(jié)構(gòu)影響最大的時刻為完全壓入后的那個時刻。

3.2 數(shù)值模擬

本文采用Abaqus 2018建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型見圖2。紅色區(qū)域為原鐵路路基所在位置，第一排預(yù)制管樁中心距離鐵路路基外邊緣5 m。模型尺寸為長40 m×寬25 m，共有8 898個單元，9 638個節(jié)點。單元均采用平面應(yīng)變單元CPE4，其為四節(jié)點雙線性單位，減縮積分，節(jié)點為4自由度（兩個平動和兩個轉(zhuǎn)動自由度）。

圖2 結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

（1）邊界條件模擬。模型上緣和下緣采用彈簧單元模擬，彈簧剛度取為淤泥質(zhì)黏土彈性模量；左側(cè)和右側(cè)邊界采用固定約束，即約束節(jié)點的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度。

（2）壓樁過程模擬。分別在擬壓樁位置建立兩個半圓形，見圖3。半圓直徑為0.5 m，兩個半圓相切，半圓圓弧端與周圍土共用節(jié)點，直線段為自由段。在預(yù)應(yīng)力管樁壓入中，給定半圓自由段向切點方向的強(qiáng)制位移，位移大小為半圓半徑。擠壓完成后，在取消強(qiáng)制位移的同時將兩個半圓自由段節(jié)點所有自由度耦合，從而形成一個整體。由于上、下半圓會存在一個重新找力平衡的過程，因此會有一個微小的位移。同時，當(dāng)其他樁在擠壓土層時，該樁位置也會隨之變化，從而模擬出不同樁之間相互作用的過程。

圖3 壓樁過程模擬

4 工程運(yùn)用

4.1 模型驗證

為了驗證本文所建立模型的正確性，分別在距離既有路基5 m處和距離路基6 m處試打兩根預(yù)應(yīng)力管樁。兩根管樁相距20 m，可以認(rèn)為兩根管樁之間相互無影響。采用本文所構(gòu)建的數(shù)值模型進(jìn)行計算，分別得到工況1和工況2條件下既有路基位移云圖，見圖4。由圖4可以看出：距既有路基5 m壓樁時（工況1），既有路基最大水平位移為4.90 cm，距既有路基6 m壓樁時（工況2），既有路基最大水平位移為3.63 cm。

圖4 既有路基位移云圖（單位：m）

同時，在既有路基上布置水平位移觀測點，并將壓樁后的位置和壓樁前的位置進(jìn)行對比，得到工況1和工況2下水平位移實測最大值，見表1。

表1 計算最大位移和實測對比

通過表1計算結(jié)果可知：（1）工況1和工況2計算值和實測值相差均很小，分別為2.51%和2.25%，可以滿足工程精度要求；（2）工況1下既有路基的位移相比較于工況2有明顯的增加，說明距離既有路基越近，壓樁對既有路基影響越大，且遠(yuǎn)離1 m大約可降低26%。

4.2 不同壓樁順序?qū)扔新肪€影響

由4.1節(jié)分析可知：距離既有路基不同位置處壓樁會產(chǎn)生不同影響程度，且當(dāng)兩根預(yù)應(yīng)力管樁位置較近時會相互影響，因此有必要研究不同壓樁順序?qū)扔芯€路的影響，從而尋找出最優(yōu)的打樁路徑。在距離既有路基5 m和6 m處分別設(shè)置兩排共16根樁，樁間距為2.5 m，見圖5。分別設(shè)計三種打樁工況。

圖5 預(yù)應(yīng)力管樁編號（單位：mm）

工況1：先順序壓第一排樁，后順序壓第二排樁，即 1-2-…-8-9-…-16。

工況2：跳打施工，即 1-10-3-12-…-16-8-15-6-…-9。

工況3：先順序壓第二排樁，后順序壓第一排樁，即 9-10-…-16-1-…-8。

三種工況下既有路基位移計算結(jié)果見圖6；三種工況下既有路基最大位移見表2。

圖6 不同工況下的既有路基位移云圖

表2 不同工況下的既有路基最大位移

從計算結(jié)果可以看出：（1）三種壓樁順序中，位移值最小為工況1的10.08 cm，最大為工況3的10.42 cm，工況1相對工況3減小約3.26%；（2）通過計算可以看出壓樁對既有路基位移影響較大，僅通過調(diào)整壓樁順序效果較小，必須采取額外的措施來減小對既有路基的影響，比如在第一排樁與路基間設(shè)置卸壓孔。

5 結(jié)束語

當(dāng)前管樁施工對既有鐵路影響研究還局限于實踐的經(jīng)驗，并無很好的模擬手段。為了摸清規(guī)律，本文開展了管樁施工對既有鐵路影響規(guī)律研究。首先，將整個結(jié)構(gòu)簡化為平面應(yīng)變問題，并采用強(qiáng)制位移來模擬壓樁過程，建立了壓樁對既有路基影響的數(shù)值模型；其次，通過實際工程驗證了數(shù)值模型的正確性；最后，通過不同壓樁順序?qū)扔芯€路的影響開展研究并得出規(guī)律。

（1）本文提出的壓樁對既有路基影響數(shù)值模型具有模擬簡單、計算迅速、計算精度高的特點，可用于工程實踐。

（2）不同壓樁順序?qū)扔新肪€有一定的影響，但是影響有限，必須采取額外的措施來減小對既有路基的影響。